CN107850946B - 包括可滑动耦接质块并包括线圈的触觉致动器及相关方法 - Google Patents

Abstract

一种触觉致动器可包括具有顶部和底部的外壳、分别由外壳的顶部和底部承载的第一永磁体和第二永磁体。该触觉致动器还可包括由外壳承载的场构件。场构件可包括位于第一永磁体和第二永磁体之间的线圈、第一端和第二端，以及位于第一端和线圈之间的第一质块，以及位于第二端和线圈之间的第二质块。第一轴可将第一质块可滑动地耦接到外壳，并且第二轴可将第二质块可滑动地耦接到外壳。该触觉致动器还可包括位于外壳和场构件的第一端之间的第一组偏压构件以及位于外壳和场构件的第二端之间的第二组偏压构件。

Description

包括可滑动耦接质块并包括线圈的触觉致动器及相关方法

技术领域

本公开涉及电子器件领域，并且更具体地讲，涉及触觉领域。

背景技术

触觉技术正变成向用户传达信息的更流行方式。触觉技术可简称为触觉，是基于触觉反馈的技术，通过向用户施加相对量的力激发用户的触摸感觉。

触觉设备或触觉致动器是向用户提供触觉反馈的设备示例。具体而言，触觉设备或致动器可通过致动作为触觉设备一部分的质块而向用户施加相对量的力。通过各种形式的触觉反馈，例如，所产生的较长和较短的力或振动脉冲串，可向用户传达信息。

发明内容

一种触觉致动器可包括具有顶部和底部的外壳、分别由外壳的顶部和底部承载的第一永磁体和第二永磁体。该触觉致动器还可包括由外壳承载的场构件。场构件可包括位于第一永磁体和第二永磁体之间的至少一个线圈、第一端和第二端，以及位于第一端和至少一个线圈之间的第一质块，以及位于第二端和至少一个线圈之间的第二质块。该触觉致动器还可包括第一轴和第二轴，第一轴可将第一质块可滑动地耦接到外壳，第二轴可将第二质块可滑动地耦接到外壳。该触觉致动器还可包括位于外壳和场构件的第一端之间的第一组偏压构件以及位于外壳和场构件的第二端之间的第二组偏压构件。因此，该触觉致动器可提供增大的力触觉反馈并占据电子设备中更少的空间，例如，在高度上更小。

该至少一个线圈可为例如环形线圈。该场构件可包括位于第一质块和第二质块之间的第三质块，所述第三质块相对于第一质块和第二质块具有减小的宽度。该至少一个线圈可为例如与第三质块相邻承载的多个线圈。

该触觉致动器还可包括由第一质块和第二质块承载并可滑动地接收第一轴和第二轴的第一机械轴承和第二机械轴承。该外壳可包括位于顶部和底部之间并包括例如至少一种非铁氧体材料的至少一个侧壁。该顶部和底部可均包括铁氧体材料。

该触觉致动器还可包括由外壳的顶部和底部中的一者承载的机械加强件。该第一组偏压构件和第二组偏压构件可包括例如第一组弹簧和第二组弹簧。

该场构件的第一端和第二端可包括分别耦接到第一组偏压构件和第二组偏压构件的第一组突起和第二组突起。第一组偏压构件和第二组偏压构件中的每一者均在位于第一端和第二端中的相应一端和例如外壳的相邻部分之间具有其相等数量的偏压构件。

电子设备方面涉及一种电子设备，其可包括设备外壳和由设备外壳承载的无线通信电路。该电子设备还可包括由设备外壳承载的触觉致动器，该触觉致动器可包括具有顶部和底部的致动器外壳，分别由致动器外壳的顶部和底部承载的第一永磁体和第二永磁体，以及由致动器外壳承载的场构件。该场构件可包括位于第一永磁体和第二永磁体之间的至少一个线圈、第一端和第二端，以及位于第一端和至少一个线圈之间的第一质块，以及位于第二端和至少一个线圈之间的第二质块。该触觉致动器还可包括将第一质块可滑动地耦接到致动器外壳的第一轴，将第二质块可滑动地耦接到致动器外壳的第二轴，位于场构件的第一端和致动器外壳之间的第一组偏压构件，以及位于场构件的第二端和致动器外壳之间的第二组偏压构件。控制器可耦接到无线通信电路和触觉致动器，并能够执行至少一种无线通信功能并选择性操作触觉致动器。

方法方面涉及一种制造触觉致动器的方法。该方法可包括将第一永磁体和第二永磁体定位成分别由外壳的顶部和底部承载，以及将场构件定位成由外壳承载。该场构件包括位于第一永磁体和第二永磁体之间的至少一个线圈、第一端和第二端，以及位于第一端和至少一个线圈之间的第一质块，以及位于第二端和至少一个线圈之间的第二质块。该方法还可包括使用第一轴将第一质块可滑动地耦接到外壳，以及使用第二轴将第二质块可滑动地耦接到外壳。该方法还可包括将第一组偏压构件定位于外壳和场构件的第一端之间以及将第二组偏压构件定位于外壳和场构件的第二端之间。

附图说明

图1是根据本发明实施方案，包括触觉致动器的电子设备的透视图。

图2是图1的电子设备的示意框图。

图3是图1的触觉致动器的一部分的透视图。

图4是图3的触觉致动器的分解透视图。

图5是图3的触觉致动器的电磁模拟图。

图6A是根据另一实施方案的触觉致动器的一部分的透视图。

图6B是沿线6-1截取的图6A的触觉致动器一部分的截面图。

图7A是根据另一实施方案的触觉致动器的一部分的透视图。

图7B是沿线7-1截取的图7A的触觉致动器一部分的截面图。

具体实施方式

现在将结合示出了本发明的优选实施例的附图而在下文更全面地描述本发明。然而，本发明可以多种不同的形式体现，并且不应将本发明理解为受限于本文所述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使得本公开为周密且完整的，并且将向本领域的技术人员充分地表达本发明的范围。通篇中类似数字指示类似元件。使用撇和多个撇符号表示指示不同实施方案中的相似元件。

一开始参考图1和图2，电子设备20例示性地包括设备外壳21和由设备外壳承载的控制器22。电子设备20例示性地为移动无线通信设备，例如，可穿戴无线通信设备，并包括用于将其固定到用户身上的带28或绑带。电子设备20可为另一种类型的电子设备，例如，移动电话、平板计算机、膝上型计算机等。

无线通信电路25(例如，蜂窝的、WLAN蓝牙等)也承载于设备外壳21之内并耦接到控制器22。无线通信电路25与控制器22合作以执行例如用于语音和/或数据的至少一个无线通信功能。在一些实施方案中，电子设备20可不包括无线通信电路25。

显示器23也由设备外壳21承载并耦接到控制器22。本领域的技术人员将会认识到，显示器23可为例如液晶显示器(LCD)，或者可为另一种显示器。

手指操作的用户输入设备24a、24b被例示为按钮开关和旋转轮盘的形式，也由设备外壳21承载并也耦接到控制器22。按钮开关24a和旋转轮盘24b与控制器22合作以响应于其操作执行设备功能。例如，设备功能可包括对电子设备20加电或断电，经由无线通信电路25发起通信，和/或执行菜单功能。

电子设备20例示地包括触觉致动器40。触觉致动器40耦接到控制器22并以较长和较短振动或“轻击”的形式向用户提供触觉反馈，尤其是在用户穿戴电子设备20的时候。振动可表示接收的消息，振动的持续时间可表示所接收消息的类型。当然，振动可表示或传达其他类型的信息。更具体而言，控制器22施加电压以在y轴中的第一位置和第二位置之间移动可移动体或质块。

尽管描述了控制器22，但应当理解，控制器22可包括处理器和其他电路中的一者或多者以执行本文所述的功能。例如，控制器22可包括D类放大器以驱动触觉致动器40和/或传感器，用于感测电压和电流。

现在额外参考图3-图4，触觉致动器40包括外壳41，外壳具有顶部42和底部43。外壳41的顶部42和底部43可为例如铁氧体的，以提高效率。如下文将要更详细所述，外壳41还包括侧壁46，侧壁包括非铁氧体材料以减小对磁场的影响。外壳41具有矩形形状。示例性尺度可为长度70mm，宽度12mm，高度2.6mm。当然，外壳41可为另一种形状，并具有不同的尺度。此外，尽管相对于铁氧体和非铁氧体材料描述了外壳41的特定部分，但应当理解，外壳的全部或一些可包括铁氧体材料或为铁氧体的，或者外壳可包括铁氧体和非铁氧体材料的组合。

相应的机械加强件47、48可由外壳41的顶部42和底部43承载。每个机械加强件47、48都可为非铁氧体，更具体而言，为非铁氧体钢。可使用任意数量的机械加强件，包括不使用，并且机械加强件可由外壳41的任意部分承载。机械加强件47、48可为另一种类型的材料。

触觉致动器40还包括分别由外壳41的顶部和底部42、43承载的第一线圈和第二线圈44、45(即，电气线圈)。第一线圈和第二线圈44、45均例示性地具有环形形状或“跑道”形状，并且以堆叠关系对准并间隔开。

触觉致动器40还可包括由外壳承载的场构件50。场构件50例示性地包括位于第一线圈和第二线圈44、45之间并可在外壳41之内移动的永磁体51、52。尽管可以将场构件50的移动描述为能够沿一个方向移动，即，线性触觉致动器，但应当理解，在一些实施方案中，场构件能够在其他方向上移动，即，角触觉致动器，或者可为线性和角触觉致动器两者的组合。

永磁体51、52例如可为钕，并可相对于其相应磁极定位在相反方向上。永磁体51、52也具有矩形形状，并沿第一线圈和第二线圈44、45的长度对准。尽管示出了一对矩形形状的永磁体，但将要认识到，位于第一线圈和第二线圈44、45之间可以有任意数量的具有任何形状的永磁体。

场构件50还包括第一端和第二端53、54。如下文将要更详细所述，第一端和第二端53、54具有第一组突起和第二组突起55、56，用于分别耦接到第一组偏压构件和第二组偏压构件71、72。第一组突起和第二组突起55、56例示性地为圆形突起的形式并沿相反方向向外延伸。每个方向可延伸有相等数量的突起。

场构件50包括位于第一端53和永磁体51、52之间的第一质块57。第二质块58位于第二端54和该一对永磁体51、52之间。第三质块59在第一质块和第二质块57、58之间延伸。第三质块59相对于第一质块和第二质块57、58具有减小的宽度。这样允许永磁体51、52处在第三质块59的每侧上。在一些实施方案中，可不包括第三质块59并且/或者第三质块可具有例如不同形状。第一质块、第二质块和第三质块57、58、59中的每个质块都可为例如钨。第一质块、第二质块和第三质块的基体都可为不同的材料。

第一质块、第二质块和第三质块57、58、59可统称为“移动部件”，与第一线圈和第二线圈44、45间隔较小的间隙。换言之，第一线圈和第二线圈44、45不接触第一质块、第二质块和第三质块57、58、59。

触觉致动器40还包括将第一质块57可滑动地耦接到外壳41的第一轴61。第二轴62将第二质块58可滑动地耦接到外壳41。例如，第一轴和第二轴61、62可为镍-铬合金。第一轴和第二轴61、62可大致彼此平行，并且如本领域的技术人员将理解的，可将运动限制为可平行于y轴(宽度)的期望平移移动。第一轴和第二轴61、62还可限制其他方向中的移动，例如，相对于现有技术的触觉致动器而言的横向移动、旋转和/或摇摆。第一轴和第二轴61、62可为特别有利的低频操作，例如，110-200Hz，更具体地，70-200Hz。

第一机械轴承和第二机械轴承63、64由第一质块和第二质块57、58承载并可滑动地接收第一轴和第二轴。第一机械轴承和第二机械轴承63、64可为槽式轴承。

本领域的技术人员应当理解，第一轴和第二轴61、62可相对于圆和槽式轴承63、64的组合滑动，从而可以约束不希望方向的力，同时减小由于过度约束造成卡住的可能性。可安装第一机械轴承和第二机械轴承，使得它们安装于移动质块57、58、59上(因此轴61、62固定到外壳41)或安装在外壳上(因此轴固定到移动质块)。

触觉致动器50还包括位于外壳41和场构件50的第一端53之间的第一组偏压构件71以及位于外壳和场构件的第二端54之间的第二组偏压构件72。第一组偏压构件和第二组偏压构件71、72可为例如弹簧，更具体而言，为线圈和/或片簧，并可为钢。第一组偏压构件和第二组偏压构件71、72可为其他类型的偏压构件，并可为另一种材料。如上所述，第一质块、第二质块和第三质块与第一线圈和第二线圈44、45间隔开。第一组偏压构件和第二组偏压构件71、72辅助维持这一间隔，并提高硬度。尽管示出了总共十二个(12)卷簧(即，机械线圈)形式的偏压构件，但应当理解，可使用任意数量和类型的偏压构件。第一组偏压构件和第二组偏压构件71、72中的每一者均在位于第一端和第二端44、45的相应一端和例如外壳的相邻部分之间具有相等数量的偏压构件。

本文描述的触觉致动器40可在更小封装或外壳中提供相对更多的动量。更小尺寸的外壳，尤其相对于高度或z轴方向而言，可能随着电子设备变小而更加符合需求，然而仍可能希望维持或增大触觉反馈的强度(即，高于2000g/mm/sec的动量)。

现在参考图5中的电流图80，示出了针对触觉致动器40的电磁模拟。箭头指示电流方向，在箭头表面为相对电流密度。例示地，基于相对电流密度和相对磁通密度，该触觉致动器40具有较高效率。

简单参考图6A和6B，在另一个实施方案中，可有超过一个第一线圈和第二线圈。例示地，触觉致动器40’可包括两个第一线圈44a’-44b’和两个第二线圈45a’-45b’，以分别由外壳41’的顶部42’和底部43’承载，而不是如上所述的单个第一线圈和第二线圈。第一线圈和第二线圈44a’-44b’、45a’-45b’中的每个线圈具有环形形状。当然，可有任意数量的第一线圈和第二线圈，该数量的第一线圈和第二线圈可不相同。第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体51’、52’、81’位于第一线圈和第二线圈44a’-44b’、45a’-45b’之间。第三质块可为位于第一质块和第二质块57’、58’之间两个质块59a’、59b’的形式，并且每个质块相对于第一质块和第二质块具有减小的宽度。更具体而言，两个第三质块59a’、59b’可分别横向位于第一永磁体和第三永磁体51’、81’之间以及第二永磁体和第三永磁体52’、81’之间。

方法方面涉及一种制造触觉致动器的方法。该方法包括将第一线圈和第二线圈44、45定位成分别由外壳41的顶部42和底部43承载。该方法还包括将场构件50定位成由外壳41承载。场构件50包括位于第一线圈和第二线圈44、45之间的至少一个永磁体51、52，第一端和第二端53、54，位于第一端和至少一个永磁体之间的第一质块57，以及位于第二端和至少一个永磁体之间的第二质块58。该方法还包括使用第一轴61将第一质块57可滑动地耦接到外壳41，使用第二轴62将第二质块58可滑动地耦接到外壳，以及将第一组偏压构件71定位于外壳41和场构件50的第一端之间。该方法还包括将第二组偏压构件72定位于外壳41和场构件50的第二端54之间。

现在参考图7A和7B，在另一个实施方案中，触觉致动器40”可包括由致动器外壳41”承载的第一对永磁体51a”和51b”、第二对永磁体52a”和52b”以及第三对永磁体81a”和81b”，并且场构件50”可包括与永磁体合作的第一线圈和第二线圈44a”、44b”。换言之，与上文结合图6A和6B所述的实施方案相反，永磁体51a”和51b”、52a”和52b”、81a”和81b”是静止的(即，由致动器外壳41”承载)，并且线圈44a”、44b”作为场构件50”的部分是移动的(即，连接到质块)。第三质块可为位于第一质块和第二质块57”、58”之间三个质块59a”、59b”、59c”的形式，并且每个质块相对于第一质块和第二质块都具有减小的宽度。当然，可以有任意数量的线圈、永磁体和/或质块。

尽管已经描述了触觉致动器40的特定布置，但将要认识到，在其他实施方案中，例如，相对于轴61、62，轴承63、64以及偏压构件71、72(例如，弹簧)的定位，可以想到权利要求范围之内的其他配置。此外，将要认识到，在一个或多个实施方案中描述的元件可以用于其他实施方案的任何实施方案中。受益于前文描述及相关附图中所呈现的教导内容的本领域的技术人员将想到本发明的许多修改形式和其他实施例。因此，应当理解，本发明不限于所公开的具体实施例，并且修改形式和实施例旨在涵盖于所附权利要求书的范围内。

Claims (21)

1.一种触觉致动器，包括：

外壳，所述外壳具有顶部和底部；

第一永磁体和第二永磁体，所述第一永磁体和所述第二永磁体分别由所述外壳的所述顶部和所述底部承载；

场构件，所述场构件由所述外壳承载并包括

位于所述第一永磁体和所述第二永磁体之间的至少一个线圈，

第一端和第二端，以及

位于所述第一端和所述至少一个线圈之间的第一质块，以及位于所述第二端和所述至少一个线圈之间的第二质块；

第一轴，所述第一轴将所述第一质块可滑动地耦接到所述外壳；

第二轴，所述第二轴将所述第二质块可滑动地耦接到所述外壳；

第一组偏压构件，所述第一组偏压构件位于所述外壳和所述场构件的所述第一端之间；以及

第二组偏压构件，所述第二组偏压构件位于所述外壳和所述场构件的所述第二端之间。

2.根据权利要求1所述的触觉致动器，其中所述至少一个线圈包括环形线圈。

3.根据权利要求1所述的触觉致动器，其中所述场构件还包括位于所述第一质块和所述第二质块之间的第三质块，并且所述第三质块相对于所述第一质块和所述第二质块具有减小的宽度。

4.根据权利要求3所述的触觉致动器，其中所述至少一个线圈包括与所述第三质块相邻的多个线圈。

5.根据权利要求1所述的触觉致动器，还包括由所述第一质块和所述第二质块承载并可滑动地接收所述第一轴和所述第二轴的第一机械轴承和第二机械轴承。

6.根据权利要求1所述的触觉致动器，其中所述外壳包括位于所述顶部和所述底部之间并包括至少一种非铁氧体材料的至少一个侧壁。

7.根据权利要求1所述的触觉致动器，其中所述顶部和所述底部均包括铁氧体材料。

8.根据权利要求1所述的触觉致动器，还包括由所述外壳的所述顶部和所述底部中的一者承载的机械加强件。

9.根据权利要求1所述的触觉致动器，其中所述第一组偏压构件和所述第二组偏压构件包括第一组弹簧和第二组弹簧。

10.根据权利要求1所述的触觉致动器，其中所述场构件的所述第一端和所述第二端包括分别耦接到所述第一组偏压构件和所述第二组偏压构件的第一组突起和第二组突起。

11.根据权利要求1所述的触觉致动器，其中所述第一组偏压构件和所述第二组偏压构件中的每一者均在所述第一端和所述第二端的相应一端和所述外壳的相邻部分之间具有相等数量的偏压构件。

12.一种电子设备，包括：

设备外壳；

无线通信电路，所述无线通信电路由所述设备外壳承载；

触觉致动器，所述触觉致动器由所述设备外壳承载并包括

致动器外壳，所述致动器外壳具有顶部和底部；

第一永磁体和第二永磁体，所述第一永磁体和第二永磁体分别由所述致动器外壳的所述顶部和所述底部承载，

场构件，所述场构件由所述致动器外壳承载并包括

位于所述第一永磁体和所述第二永磁体之间的至少一个线圈，

第一端和第二端，以及

位于所述第一端和所述至少一个线圈之间的第一质块，以及位于所述第二端和所述至少一个线圈之间的第二质块，

第一轴，所述第一轴将所述第一质块可滑动地耦接到所述致动器外壳，

第二轴，所述第二轴将所述第二质块可滑动地耦接到所述致动器外壳，

位于所述场构件的所述第一端和所述致动器外壳之间的第一组偏压构件，以及

位于所述场构件的所述第二端和所述致动器外壳之间的第二组偏压构件；以及

控制器，所述控制器耦接到所述无线通信电路和所述触觉致动器，并能够执行至少一种无线通信功能并选择性操作所述触觉致动器。

13.根据权利要求12所述的电子设备，其中所述至少一个线圈包括环形线圈。

14.根据权利要求12所述的电子设备，其中所述场构件还包括位于所述第一质块和所述第二质块之间的第三质块，并且所述第三质块相对于所述第一质块和所述第二质块具有减小的宽度。

15.根据权利要求14所述的电子设备，其中所述至少一个线圈包括与所述第三质块相邻的多个线圈。

16.根据权利要求12所述的电子设备，还包括由所述第一质块和所述第二质块承载并可滑动地接收所述第一轴和所述第二轴的第一机械轴承和第二机械轴承。

17.一种制造触觉致动器的方法，包括：

将第一永磁体和第二永磁体定位成分别由外壳的顶部和底部承载；

将场构件定位成由所述外壳承载，所述场构件包括位于所述第一永磁体和所述第二永磁体之间的至少一个线圈、第一端和第二端，以及位于所述第一端和所述至少一个线圈之间的第一质块，以及位于所述第二端和所述至少一个线圈之间的第二质块；

使用第一轴将所述第一质块可滑动地耦接到所述外壳；

使用第二轴将所述第二质块可滑动地耦接到所述外壳；

将第一组偏压构件定位于所述外壳和所述场构件的所述第一端之间；以及

将第二组偏压构件定位于所述外壳和所述场构件的所述第二端之间。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述至少一个线圈包括环形线圈。

19.根据权利要求17所述的方法，其中定位所述场构件包括定位包括位于所述第一质块和所述第二质块之间并相对于所述第一质块和所述第二质块具有减小的宽度的第三质块的场构件。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述至少一个线圈包括与所述第三质块相邻的多个线圈。

21.根据权利要求17所述的方法，还包括耦接第一机械轴承和第二机械轴承以由所述第一质块和所述第二质块承载并可滑动地接收所述第一轴和所述第二轴。

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